Lektsii_Fizika_chast_II

(при этом выделенные направления молекул поляроидов взаимно перпендикулярны).

интенсивность света, прошедшего сквозь поляризатор, прямо пропорциональна квадрату косинуса угла между направлениями колебаний вектора напряжённости электрического поля в падающей и прошедшей волнах,

Данное утверждение носит название закона Малюса. Очевидно: если через два последовательно расположенных по-

ляризатора проходит естественный свет (интенсивностью IЕСТ), на выходе из системы интенсивность света окажется равной

I ½IЕСТcos2 .

Может оказаться, что компонента E поглощается полярои-

дом не полностью, тогда свет на выходе окажется поляризованным частично. Степень поляризации характеризуется параметром

90

где IМАКС и IМИН – максимальное и минимальное значение интенсивности света, которые можно получить, поставив на его пути новый анализатор и вращая его. Понятно, что у естественного света IМАКС IМИН, то есть P 0; у плоско поляризованного, наоборот, IМИН 0, или P 1.

Примечание 1

Степень поляризации P равна нулю не только у естественного

света. Плоскость, в которой происходят колебания вектора E , может равномерно поворачиваться в пространстве относительно

11.3 Отражение света на границе раздела диэлектриков

Свет может поляризоваться не только после прохождения сквозь вещество, но и при отражении на границе раздела двух диэлектрических сред. Если в падающей волне естественного света

в равной степени присутствуют колебания всех направлений, то в

отражённом будут преобладать колебания вектора E , происходящие параллельно поверхности раздела. В преломлённом луче, ситуация будет обратной. Сказанное поясняется рис. 11.6а, на

91

ное.

Если отражённый и преломлённый лучи взаимно перпендикулярны (рис. 11.6б), отражённый луч оказывается полностью поляризованным (закон Брюстера). Соответствующий угол падения называется углом Брюстера ( Б). Очевидно:

Заметим: полностью поляризованным оказывается лишь отражённый луч, преломлённый поляризован частично.

Примечание 2

При падении света на границу раздела двух сред в случае, когда показатель преломления второй среды меньше, чем первой (n2 n1), возможно возникновение явления полного внутреннего отражения, которое заключается в том, что при превышении углом

92

падения некоторого предельного значения П преломлённый луч исчезает и остаётся лишь отражённый – см. рис. 11.7.

Рис. 11.7

При угле падения П угол преломления /2. Сам уголП можно вычислить, пользуясь законом преломления света:

Явление полного внутреннего отражения используется в рабо-

те световодов для оптоволоконной оптики.

Волоконный световод представляет собой нить из оптически прозрачного материала, сердцевина которой радиуса r1 имеет показатель преломления n1; у внешней оболочки (радиуса r2) n2 n1.

(рис. 11.8а).

Лучи, распространяющиеся под достаточно малыми углами к оси световода, испытывают полное внутреннее отражение на поверхности раздела сердцевины и оболочки, распространяясь, в итоге, только по сердцевине (рис. 11.8б).

Показатель преломления сердцевины может зависеть от расстояния до её центра, и тогда траектория луча света оказывается не ломаной, а плавной линией (рис. 11.8в).

93

E , происходящие вдоль осей Y и Z, распространяются с разными скоростями! Как итог – при попадании волны на анизотропный кристалл она разделяется на две компоненты с взаимно перпендикулярной поляризацией, причём, в общем случае, эти компоненты преломляются под разными углами и расходятся. Это явление называется двойным лучепреломлением.

В анизотропном кристалле может существовать направление, при распространении света вдоль которого двойного лучепреломления не происходит. Данное направление называется оптической осью кристалла.

Оптическую анизотропию можно создать и в однородных средах, подвергнув их внешнему воздействию, например, – механическому сжатию или растяжению, поместив в электрическое или магнитное поле.

94

11.4.2 Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы (ЖК) – особое состояние некоторых органических веществ, в котором они обладают текучестью, но сохраняют определённую упорядоченность в расположении молекул и анизотропию ряда физических (в частности, оптических) свойств. Воздействуя электрическим полем на ЖК, можно менять ориентацию его молекул и, тем самым, изменять условия прохождения света сквозь него.

го полирована таким образом, чтобы на ней возникли вертикальные микробороздки. Жидкий кристалл ЖК (молекулы изображены в виде стержней) находится между электродом Э1 и прозрачным электродом Э2, отполированным так, чтобы микробороздки на его поверхности были горизонтальны. Молекулы ЖК у поверхности электродов располагаются вдоль бороздок, а в пространстве между электродами образуют винтовую структуру.

Поглощая и переизлучая свет, пропущенный поляроидом П1, эти молекулы поворачивают плоскость его поляризации на 90°

так, что он приобретает способность пройти сквозь поляроид П2,

пропускающий лишь горизонтальную компоненту вектора E . Дальше свет идёт сквозь светофильтр С, получая окраску.

После подачи на электроды Э1 и Э2 напряжения, молекулы ЖК выстраиваются вдоль силовых линий, то есть вдоль направления распространения света, поворота плоскости поляризации которого теперь не происходит. Поляризованный в вертикальном направлении свет сквозь поляроид П2 пройти уже не сможет.

Таким образом, ЖК-ячейка работает как управляемый электрическим полем оптический транспарант.

95

Примечание 3

Поворачивать плоскость поляризации света могут не только жидкие кристаллы, но и некоторые другие вещества.

В ряде случаев для поворота плоскости поляризации на угол необходимо создавать добавочное электрическое поле напряжённостью E:

E (эффект Поккельса),

E2 (эффект Керра);

внекоторых – поворот вызывается магнитным полем напряжённостью H:

lH (эффект Фарадея).

Иногда (у растворов) угол поворота зависит от концентрации в нём оптически активного вещества C:

Сl.

Впоследних двух случаях угол поворота плоскости поляризации прямо пропорционален пути l, который свет проходит в веществе.

Контрольные задания и вопросы

1.Что такое экстинкция света? Какова её природа? Получите закон Бугéра – Лáмберта.

2.Приведите примеры проявления закона Рэлея.

3.Какой свет называется поляризованным?

4.Опишите методы получения поляризованного света.

5.В чём заключается закон Малюса? Ответ поясните рисун-

ком.

6.В чём заключается закон Брюстера? Ответ поясните рисун-

ком.

7.Опишите принцип работы световода.

8.Что такое жидкие кристаллы? Где они используются?

9.Опишите способы получения и применения искусственной анизотропии веществ.

96

Лекция № 12 ВОЛНОВАЯ И КВАНТОВАЯ ОПТИКА. ЧАСТЬ V

12.1Тепловое излучение

12.1.1Определения

-Если электромагнитное излучение испускается телом за

счёт своей внутренней энергии (теплового движения атомов и молекул), то такое излучение называется тепловым*. Его осо-

бенностью является то, что оно может являться равновесным. Это означает: после помещения нескольких имевших разную температуру тел в изолированный от окружающей среды объём спустя некоторое время между ними наступает тепловое равновесие (каждое тело в единицу времени испускает столько же энергии, сколько и поглощает).

Получить тепловое излучение легко, для этого тело нужно просто нагреть, и поэтому не удивительно, что изучением данного явления занимались многие исследователи. Однако для того, чтобы объяснить наблюдаемые закономерности, в способы и модели, применявшиеся для описания окружающего мира, физикам потребовалось внести кардинальные поправки. Для того чтобы понять суть проблемы, сначала нужно ввести серию определений.

-Энергетическая светимость тела RЭ – энергия, испускаемая

вединицу времени с единицы поверхности тела во всех направле-

ниях в диапазоне частот от нуля до бесконечности; [RЭ] Вт/м2.

- На разных частотах (длинах волн) телом испускается разная энергия. Испускательной способностью тела r (или r , r ) называ-

ется энергия, испускаемая во всех направлениях в единицу времени с единицы поверхности в единичном интервале частот (длин волн):

* Электромагнитные волны могут излучаться и в ходе других процессов, например, при люминесценции. Люминесценцией называется электромагнитное излучение, избыточное над тепловым при данной температуре, длительность послесвечения которого много больше периода световых колебаний. Это излучение – неравновесное.

97

Очевидно, r , и r не одинаковы по величине, а от r отличаются и по размерности, однако все они взаимосвязаны: при одной и той же температуре для одного и того же участка спектра:

То, как меняется испускательная способность тела, например, на разных длинах волн при заданной температуре, можно получить, измеряя испускаемую телом энергию на заданной длине

- Пусть на тело падает поток лучистой энергии. Отношение энергии, поглощаемой в единицу времени единичной поверхностью тела на данной частоте или (или длине волны ) ко всей падающей на ту же поверхность за то же время энергии на тех же

, или , называется поглощательной способностью (коэффи-

циентом поглощения) a или a (или a ). Поглощение неодинаково на разных частотах (длинах волн) и при разных температурах T. Часть энергии телом отражается, часть – пропускается, поэтому поглощательная способность всегда меньше единицы. Но можно представить себе гипотетический объект, поглощающий всю па-

дающую на него энергию. Тело, поглощательная способность которого равна единице для всех частот (длин волн) при любых температурах называется абсолютно чёрным. По определению у такого тела a * a * a * 1 (здесь и далее все параметры, относящиеся к абсолютно чёрному телу, мы будем помечать звёз-

98

дочкой). Моделью абсолютно чёрного тела может служить обитый изнутри ворсистой материей ящик (рис. 12.2) с маленьким отверстием в стенке: после попадания в отверстие свет, многократно отражаясь стенками, полностью поглощается, так как из-за малости отверстия

12.1.2Законы теплового излучения

a)Закон Кùрхгофа

Согласно установленному Кирхгофом закону, отношение ис-

пускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела и является для всех тел одинаковой функцией частоты и температуры:

Поскольку для абсолютно чёрного тела a * a * a * 1,

можно сделать вывод о том, что f( , T) r *, а ( , T) r *. Тем не менее, конкретный вид функций f( , T) и ( , T) Кирхгофу получить не удалось.

b) Закон Стефана - Больцмана

Закон говорит о том, что энергетическая светимость абсо-

лютно чёрного тела RЭ* прямо пропорциональна четвёртой степени его термодинамической температуры T:

В этой формуле 5,67·10 8 Вт/(м2·К4) – постоянная СтефанаБольцмана.

99